CN108270410B - 一种带宽与增益多级可调的程控放大器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带宽与增益多级可调的程控放大器及控制方法，该程控放大器包括第一级放大器、第二级放大器、第三级放大单元、微控制器及电压采集器，第三级放大单元包括第三级放大器、第一数字电位器及第二数字电位器，第一级放大器至第三级放大器均用于放大输入信号；电压采集器用于采集第三级放大单元的输出电压；微控制器用于根据设定放大增益、带宽和电压采集单元输出信号输出第一控制信号和第二控制信号；第一数字电位器用于根据第一控制信号调整接入电路中阻值实现调整程控放大器的带宽，第二数字电位器用于根据第二控制信号调整接入电路中阻值实现调整程控放大器的增益。本发明电路结构简单，硬件成本低。

Description

一种带宽与增益多级可调的程控放大器及控制方法

技术领域

本发明属于通讯技术领域，更具体地，涉及一种带宽与增益多级可调的程控放大器及控制方法。

背景技术

在一些测量领域，经常需要对一些小信号进行分析处理，一般小信号的幅度为几个mV甚至更小，为了更好的分析信号，需要对小信号进行放大，因此需要设计有足够增益的放大电路。在某些特定场合中，比如微波接收机，放大电路除了要有高增益以外，还需要根据接收到信号的强弱来选择合适的增益，实际工作时，由于微波接收机所接收到的信号在不同频段时的功率变化范围较广，若放大电路采用固定增益的方案来设计，这将导致接收机末端最终得到的电压信号可能会过大或者过小，因此，为了使响应在一个合适的范围内，希望电路的增益可以灵活调整。此外，信号的带宽也是信号分析中不可忽略的指标，做信号分析时希望仅仅考虑低于某个频率的信号，滤除一些高频的成分，因此，所设计的电路的带宽也应能够进行调节。

实际上，一般应用中的放大电路在设计时要么为固定增益要么增益调节的档数比较少，系统的灵活性不够高，这对输入信号幅度的要求比较高；有些放大电路虽然可以进行多档调节但要么是只能调节带宽要么只能是调节增益，电路功能较为单一，应用场合有限。此外，能实现增益和带宽可调节的放大电路不仅增益和带宽可调节的范围过窄，而且硬件成本也较高，软件实现也较为复杂。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供一种带宽与增益多级可调的程控放大器及控制方法。旨在解决现有的放大器调节范围窄的技术问题。本发明提供一种调节灵活、电路结构简单，且调节范围大、应用面广的带宽与增益可调的视频放大板，用于放大微弱的电信号。

作为本发明的一方面，本发明提供一种带宽与增益多级可调的程控放大器，包括：

第一级放大器，其输入端接收输入信号；用于放大输入信号；

第二级放大器，其输入端与第一级放大器的输出端连接，用于放大第一级放大器输出信号；

第三级放大单元，其输入端同第二级放大器的输出端连接，其设有两个控制端，其包括第三级放大器、一端与第三级放大器输入端连接的第一数字电位器及连接于第三级放大器的反馈电路中第二数字电位器，其第一控制端为第一数字电位器的控制端，其第二控制端为第二数字电位器的控制端，用于放大第二级放大器输出信号；

电压采集器，其输入端与第三级放大单元的输出端连接，用于采集第三级放大单元的输出电压；

微控制器，其设有两个输出端，其第一输出端与第三级放大单元的第一控制端连接，其第二输出端与第三级放大单元的第二控制端连接，其输入端与电压采集单元的输出端连接，用于根据设定放大增益、带宽和电压采集单元输出信号由第一输出端输出第一控制信号和第二输出端输出第二控制信号；

第一数字电位器用于根据第一控制信号调整接入电路中阻值实现调整程控放大器的带宽，第二数字电位器用于根据第二控制信号调整接入电路中阻值实现调整程控放大器的增益。

优选地，第一数字电位器包括：

计数器，其输入端作为第一数字电位器的控制端，用于统计第一控制信号的脉冲数并输出计数值；

译码器，其输入端与计数器的输出端连接，用于根据计数值输出N+1路开关控制信号；

电阻矩阵，其有N+1个输入端，其输入端与译码器的输出端一一对应连接，用于根据开关控制信号确定接入电路的电阻值。

优选地，电阻矩阵包括N个首末端串联的电阻和N+1个开关，N个电阻依次记为第1个电阻、……、第i个电阻……和第N个电阻，N+1个开关依次记为第1个开关、……、第j个开关、……和第N+1个开关；

第j个开关一端连接到公共点，第j个开关的另一端连接到第i个电阻首端，且i的数值同j个数值相同；第N+1个开关的一端连接到公共点，第N+1个开关的另一端连接第N个电阻的末端；

其中，i为电阻次序，j为开关次序，N为电阻数量。

优选地，第一数字电位器的结构和第二数字电位器的结构相同。

优选地，电压采集器包括串联的两个电阻，串联的两个电阻的一端与第三级放大单元的输出端连接，串联的两个电阻的另一端接地，两个电阻的连接端作为电压采集器的输出端。

优选地，第一级放大器、第二级放大器第三级放大器的带宽增益均为50M以上。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种带宽与增益多级可调的程控放大器的控制方法，包括：

步骤1：判断电压采集器采集的电压是否在所需电压范围内，若是，维持第一控制信号和第二控制信号不变，否则，进入步骤2；

步骤2：根据电压采集器采集到的电压和程控放大器当前增益确定输入信号幅值；

步骤3：根据输入信号幅值和所需电压范围确定程控放大器的调整增益；

步骤4：判断程控放大器的调整增益是否超过程控放大器的增益调节范围，若是，则以程控放大器的增益调节范围的端点值确定第二控制信号，否则，以程控放大器的调整增益确定第二控制信号。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的带宽与增益多级可调的程控放大器，保持第一级放大器和第二级放大器的增益和带宽均不变，通过微控制器输出第一控制信号和第二控制信号，改变第一数字电位器和第二数字电位器接入阻值，调整第三级放大器的增益和带宽，使得程控放大器的增益和带宽可调，调节灵活，调节范围广，电路结构相对简单，硬件成本低，控制方式多样，易于实现。

2、数字电位器为电阻值多级连续可调，调节精度高，调节方式简单，微控制器的输出引脚与数字电位器的片选段、计数方向端、计数端三线相连，并配合一定的时序就能实现数字电位器阻值的调节。

3、本发明提供的程控放大器中，所有放大器的带宽增益在50M以上，保证微弱信号在放大过程中不失真。

4、本发明提供的程控放大器的控制方法，判断程控放大器的输出电压是否在电压范围内，并根据判断结果确认是否调整程控放大器的增益值，实现程控放大器的增益可调。

附图说明

图1是本发明提供的带宽与增益多级可调的程控放大器的结构示意图；

图2是本发明提供的程控放大器中数字电位器的原理图；

图3(a)是本发明提供的程控放大器中数字电位器向上计数的控制时序图；图3(b)是本发明提供的程控放大器中数字电位器向下计数的控制时序图；

图4是本发明提供的程控放大器中不带反馈的微控制器控制流程图；

图5是本发明提供的程控放大器中带反馈的微控制器控制流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的一种带宽与增益多级可调的程控放大器，可以用于一些需要小信号放大的应用场合，尤其适用于微波接收机信号的末端用于放大微弱的电压信号。

参照图1所示，本发明提供的带宽与增益多级可调的程控放大器，包括微控制器、视频放大单元及电压采集器。视频放大单元由三级运算放大器级联和两个数字电位器组成，两个数字电位器依次记为第一数字电位器和第二数字电位器，依次级联的运算放大器依次记为第一级运算放大器、第二级运算放大器及第三级运算放大器。第一数字电位器置于第二级与第三级放大器之间，第二数字电位器置于第三级放大器的反馈回路中。前两级放大器所产生的增益固定，第三级运算放大器的增益可调。微控制器的输出引脚与视频放大单元的数字电位器的片选端、计数方向端、计数端相连。微控制器的ADC采集端口与分压电路相连，且微控制器能够通过通信协议与远程控制界面进行连接，实现人机交互。微控制器支持ADC转换、串口、以太网、USB通信。

电压采集器包括串联的电阻R10与电阻R11，电阻R10与电阻R11的比值为3：1。串联的两个电阻的一端与第三级放大单元的输出端连接，串联的两个电阻的另一端接地，两个电阻的连接端作为电压采集器的输出端。通过设置电压采集器中两个电阻的比值，在保证输入信号与微控制器ADC端口实际采得的信号为一定线性关系的情况下，使进入微控制器ADC采集端口的电压不超过端口最大承受电压，损坏微控制器。

根据虚短路与虚断路的概念可以写出电路的传递函数为：

由传递函数可以知道，调节R3与R2的比值、R6与R5的比值、R9与R8的比值可以调节放大电路的增益，调节R1、C1、R4、C2、R7、C3的值可以改变放大电路的带宽。微弱信号要放大且不失真，并且电路要相对简单，那么放大电路的前两级应具有一定的增益来保证信号幅度有所提升，并且前两级带宽要足够以保证信号不失真，为第三级放大器的提供一个较宽的信号频率筛选范围。据此，前两级放大器的增益与带宽固定，即R3与R2、R6与R5的比值一定，R1、C1、R4、C2的值固定，根据实际增益与带宽的需要，确定C3与R8的值，微控制器通过调节第二级放大与第三级放大中的数字电位器和第三级反馈回路上的电位器所接入电路的阻值，即调节数字电位器R7、R9，进而改变R8与R9的比值和第三级的带宽，最终实现电路带宽与增益的调节。

视频放大单元中的运算放大器采用增益带宽积高于50M的器件，视频放大单元前两级的运算放大器的放大倍数固定，并且具有一定的带宽，小信号经过前两级放大器进行不失真的放大后，最终由第三级放大器所组成的电路进行进一步放大和滤波。

图2是数字电位器的原理图，数字电位器主要由输入微控制器、非易失性存储器、译码器及电阻阵列四部分组成。输入微控制器的计数方向端作为数字电位器的计数方向端，输入微控制器的片选端作为数字电位器的片选端，输入微控制器的计数端作为数字电位器的计数端。输入控制为可逆计数器，即可以根据计数方向对计数端的脉冲信号向上或者向下计数，并输出计数值。输入微控制器的输出端与译码器的输入端连接，译码器设有100个输出端。

电阻矩阵包括N个首末端串联的电阻和N+1个开关，N个电阻依次记为第1个电阻、……、第i个电阻……和第N个电阻，N+1个开关依次记为第1个开关、……、第j个开关、……和第N+1个开关；第j个开关一端连接到公共点，第j个开关的另一端连接到第i个电阻首端，且i的数值同j个数值相同；第N+1个开关的一端连接到公共点，第N+1个开关的另一端连接第N个电阻的末端；其中，i为电阻次序，j为开关次序，N为电阻数量。第1个电阻的首端、第N+1个电阻的末端及公共点作为数字电位器的三个端口，记为第一接线端、第二接线端和滑动端，其中，第一接线端和第二接线端接入作为数字电位器的两个接线端接入电路，滑动可以同第一接线端连接，也可以同第二接线端连接，在本实施例中，N的值为99。

计数器输出的计数值被译码器译码后，就接通一个点的电子开关，从而把电阻阵列上的一个点连接到滑动输出端。在某种条件下，计数器的内容可以存储到非易失性存储器中，以便下一次调用。其中U/D、INC、CS为数字电位器的控制引脚，Vcc和GND为数字电位器的供电和接地引脚，Vw为滑动端。

实现数字电位器阻值调节的时序见图3(a)和图3(b)，图3(a)代表向上计数的时序图，图3(b)代表向下计数的时序图。通过控制INC、U/D、CS三个引脚的电平能改变滑动端Vw在电阻阵列中的位置，当CS为低电平时，数字电位器被选中，若此时U/D接收到高电平，当INC输入引脚由高到低变化，计数器向上计数；若此时U/D接收到低电平，当INC输入引脚由低到高变化，计数器向下计数。计数器中的值经过译码使得滑动端的位置改变，达到电阻调节的目的。

数字电位器采用电阻值100级连续可调，通过将微控制器的输出引脚与数字电位器的片选段、计数方向端、计数端三线相连，并配合一定的时序就能实现数字电位器阻值的调节。

在对所输入信号的量级可以确定的情况下，电路控制流程图见图4，电路上电后首先进行初始化，此时增益和带宽为上次操作最终保存的值。若不需更改，此时微控制器执行空闲任务，若检测到有输入，微控制器进入中断，进一步判断所输入的内容是否有效，无效则中断返回，有效则微控制器将所设定的带宽与增益转换为脉冲数对数字电位器进行调节，并保存此时所设定的参数，最后返回到之前的断点。

在对所输入信号的量级不确定的情况下，为了使经过放大器的信号的幅度在一个合适的范围内，需要进行反馈控制。电路反馈控制的流程图见图5，信号输入到放大电路中，放大电路实际输出的信号经过分压后输送至微控制器的模数转换器中进行模拟信号到数字信号的转换，微控制器根据分压电路的分压比以及转换的数字信号算出当前放大电路实际输出的信号幅度，再结合所设定的增益，最终得到实际输入到放大电路的信号幅度。然后确定输入信号放大到合适幅度所需要的增益，接着判断所需要的增益是否在增益可设定的范围之内，如果在范围之内，微控制器将所需要的增益转换为数字脉冲完成对数字电位器的调节；如果不在范围之内高于这个范围，微控制器将可设定的最大增益转换为数字脉冲对数字电位器进行调节，如果低于这个范围，微控制器将可设定的最小增益转换为数字脉冲对数字电位器进行调节。至此，整个带反馈的增益调节到此结束。

视频放大单元由三级运算放大器级联组成，前两级的所构成的放大倍数固定。微控制器通过调节不同的数字电位器，改变电路中所接入的电阻值进而分别调节电路的增益与带宽，此外，为了使输出信号的幅度在一个合适范围，微控制器可以对放大电路进行自动增益控制。

显然，上述实例仅仅是为清除地说明本发明所作的举例，并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。而这些属于本发明的精神所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种带宽与增益多级可调的程控放大器，其特征在于，包括：

第一级放大器，其输入端接收输入信号，用于放大输入信号；

第二级放大器，其输入端与第一级放大器的输出端连接，用于放大第一级放大器输出信号；

第三级放大单元，其输入端同第二级放大器的输出端连接，其设有两个控制端，其包括第三级放大器、一端与第三级放大器输入端连接的第一数字电位器及连接于第三级放大器的反馈电路中第二数字电位器，其第一控制端为第一数字电位器的控制端，其第二控制端为第二数字电位器的控制端，用于放大第二级放大器输出信号；

电压采集器，其输入端与第三级放大单元的输出端连接，用于采集第三级放大单元的输出电压；

微控制器，其设有两个输出端，其第一输出端与第三级放大单元的第一控制端连接，其第二输出端与第三级放大单元的第二控制端连接，其输入端与电压采集器的输出端连接，用于根据设定放大增益、带宽和电压采集器输出信号由第一输出端输出第一控制信号和第二输出端输出第二控制信号；

第一数字电位器用于根据第一控制信号调整接入电路中阻值实现调整程控放大器的带宽，第二数字电位器用于根据第二控制信号调整接入电路中阻值实现调整程控放大器的增益。

2.如权利要求1所述的程控放大器，其特征在于，第一数字电位器包括：

计数器，其输入端作为第一数字电位器的控制端，用于统计第一控制信号的脉冲数并输出计数值；

译码器，其输入端与计数器的输出端连接，用于根据计数值输出N+1路开关控制信号；

电阻矩阵，其有N+1个输入端，其输入端与译码器的输出端一一对应连接，用于根据开关控制信号确定接入电路的电阻值。

3.如权利要求2所述的程控放大器，其特征在于，电阻矩阵包括N个首末端串联的电阻和N+1个开关，N个电阻依次记为第1个电阻、……、第i个电阻……和第N个电阻，N+1个开关依次记为第1个开关、……、第j个开关、……和第N+1个开关；

第j个开关一端连接到公共点，第j个开关的另一端连接到第i个电阻首端，且i的数值同j个数值相同；第N+1个开关的一端连接到公共点，第N+1个开关的另一端连接第N个电阻的末端；

其中，i为电阻次序，j为开关次序，N为电阻数量。

4.如权利要求1至3任一项所述的程控放大器，其特征在于，第一数字电位器的结构和第二数字电位器的结构相同。

5.如权利要求1至3任一项所述的程控放大器，其特征在于，电压采集器包括串联的两个电阻，串联的两个电阻的一端与第三级放大单元的输出端连接，串联的两个电阻的另一端接地，两个电阻的连接端作为电压采集器的输出端。

6.如权利要求1至3任一项所述的程控放大器，其特征在于，第一级放大器、第二级放大器和第三级放大器的带宽增益积均为50MHz以上。

7.一种基于权利要求1所述的程控放大器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：判断电压采集器采集的电压是否在所需电压范围内，若是，维持第一控制信号和第二控制信号不变，否则，进入步骤2；

步骤2：根据电压采集器采集到的电压和程控放大器当前增益确定输入信号幅值；

步骤3：根据输入信号幅值和所需电压范围确定程控放大器的调整增益；

步骤4：判断程控放大器的调整增益是否超过程控放大器的增益调节范围，若是，则以程控放大器的增益调节范围的端点值确定第二控制信号，否则，以程控放大器的调整增益确定第二控制信号。

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